(57)【要約】【課題】広範囲の運転領域にわたり安定して運転できる予混合圧縮着火燃焼方式の内燃機関の制御装置を提供する。【解決手段】エンジン制御装置１００Ａは、軽油又は軽油を含む混合燃料をエンジンに供給する燃料供給系１３０Ａと、水素をエンジンに供給するガス供給系１１０と、水素添加濃度によって変化する複数の燃焼波形を予めデータとして有し利用する要求予混合ガス演算部５３３とを備えている。要求予混合ガス演算部５３３において、エンジンの状態に応じて熱効率が高くなる様に、複数の燃焼波形の中から適切な一つを選択し、燃焼波形に一致する様にエンジンに供給する水素添加濃度を決定することにより、ＰＭ及びＮＯｘの生成量を低減することができるとともに、エンジンの熱効率を向上させることができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
軽油により、又は軽油を含む混合燃料により運転可能な内燃機関の制御装置において、
前記軽油を、又は軽油を含む混合燃料を、前記内燃機関に供給する燃料供給手段と、
水素を前記内燃機関に供給するガス供給手段と、
水素添加濃度によって変化する複数の燃焼波形により予め得られる水素添加濃度に係る燃焼データを利用する燃焼制御手段とを備え、
前記内燃機関の状態に応じて熱効率が高くなる様に、前記水素添加濃度に係る燃焼データの中から適切なものを選択し、前記内燃機関に供給する水素添加濃度を決定する水素添加量決定手段と、を備えることを特徴とする内燃機関の制御装置。
【請求項２】
軽油により、又は軽油を含む混合燃料により運転可能な内燃機関の制御装置において、
前記軽油を、又は軽油を含む混合燃料を、前記内燃機関に供給する燃料供給手段と、
前記軽油から、又は軽油を含む混合燃料から水素を含む改質ガスを生成するガス生成手段と、
前記水素を含む改質ガスを前記内燃機関に供給するガス供給手段と、
水素添加濃度によって変化する複数の燃焼波形により予め得られる水素添加濃度に係る燃焼データを利用する燃焼制御手段とを備え、
前記内燃機関の状態に応じて熱効率が高くなる様に、前記水素添加濃度に係る燃焼データの中から適切なものを選択し、前記内燃機関に供給する水素添加濃度を決定する水素添加量決定手段と、を備えることを特徴とする内燃機関の制御装置。
【請求項３】
前記内燃機関の状態に応じて熱効率が高くなる様に、前記水素添加濃度に係る燃焼データの中から適切なものを選択し、前記内燃機関に供給する水素添加濃度を決定した後、前記軽油の噴射時期を、又は軽油を含む混合燃料の噴射時期を、決定する噴射時期決定手段を備えることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の内燃機関の制御装置。
【請求項４】
前記内燃機関の状態とは、少なくとも前記内燃機関の回転速度と、前記内燃機関が出力する様に要求される要求トルクとを含むことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項５】
軽油を燃料とし、又は軽油を含む混合燃料を燃料とし、燃焼室内でこの燃料を圧縮着火させる内燃機関の制御装置において、
前記燃料を前記内燃機関の各気筒に供給する燃料供給手段と、
水素を含む予混合ガスを前記内燃機関の各気筒に供給するガス供給手段と、
アクセル開度と前記内燃機関の回転速度にもとづいて前記内燃機関に出力させる要求トルクを算出する要求トルク算出手段と、
前記内燃機関の回転速度と、前記算出された要求トルクにもとづいて、前記燃料の各気筒への噴射量を算出する燃料噴射量算出手段と、
前記内燃機関の予混合圧縮着火燃焼条件と、前記算出された燃料の各気筒への噴射量とにもとづいて、前記燃料供給手段による燃料の各気筒への噴射時期及び噴射期間を制御する燃料供給制御手段と、
少なくとも前記内燃機関の回転速度及び前記算出された要求トルクを含む前記内燃機関の運転状態情報をパラメータにし、水素添加濃度によって変化する複数の燃焼波形により予め得られる水素添加濃度に係る燃焼データを記憶する水素添加濃度に係る燃焼データ記憶手段と、
前記内燃機関の運転状態情報を参照して、前記水素添加濃度に係る燃焼データ記憶手段に記憶された前記水素添加濃度に係る燃焼データにもとづいて、前記内燃機関の最適な熱効率を与える前記所定の水素添加濃度を算出し、前記各気筒に供給する水素量を算出する水素添加量決定手段と、
前記内燃機関の予混合圧縮着火燃焼条件と、前記算出された各気筒に供給する水素量とにもとづいて、前記ガス供給手段による前記予混合ガスの各気筒への噴射時期及び噴射時間を制御するガス供給制御手段と、を備えることを特徴とする内燃機関の制御装置。
【請求項６】
軽油を燃料とし、又は軽油を含む混合燃料を燃料とし、燃焼室内でこの燃料を圧縮着火させる内燃機関の制御装置において、
前記燃料を前記内燃機関の各気筒に供給する燃料供給手段と、
前記燃料から水素又は水素を含む改質ガスを予混合ガスとして生成するガス生成手段と、
前記予混合ガスを前記内燃機関の各気筒に供給するガス供給手段と、
アクセル開度と前記内燃機関の回転速度にもとづいて前記内燃機関に出力させる要求トルクを算出する要求トルク算出手段と、
前記内燃機関の回転速度と、前記算出された要求トルクにもとづいて、前記燃料の各気筒への噴射量を算出する燃料噴射量算出手段と、
前記内燃機関の予混合圧縮着火燃焼条件と、前記算出された燃料の各気筒への噴射量とにもとづいて、前記燃料供給手段による燃料の各気筒への噴射時期及び噴射時間を制御する燃料供給制御手段と、
少なくとも前記内燃機関の回転速度及び前記算出された要求トルクを含む前記内燃機関の運転状態情報をパラメータにし、水素添加濃度によって変化する複数の燃焼波形により予め得られる水素添加濃度に係る燃焼データを記憶する水素添加濃度に係る燃焼データ記憶手段と、
前記内燃機関の運転状態情報を参照して、前記水素添加濃度に係る燃焼データ記憶手段に記憶された前記水素添加濃度に係る燃焼データにもとづいて、前記内燃機関の最適な熱効率を与える前記所定水素添加濃度を算出し、前記各気筒に供給する水素量を算出する水素添加量決定手段と、
前記内燃機関の予混合圧縮着火燃焼条件と、前記算出された各気筒に供給する水素量とにもとづいて、前記ガス供給手段による前記予混合ガスの各気筒への噴射時期及び噴射時間を制御するガス供給制御手段と、を備え、
前記ガス供給手段は、
前記生成された予混合ガスを圧縮するガス圧縮機と、
前記圧縮された前記予混合ガスを蓄圧状態に貯留する蓄圧タンクと、
前記蓄圧タンクの前記予混合ガスを、前記内燃機関の各気筒に向けて分岐したガス供給管を通じて供給されて噴射するガス噴射弁と、
を有することを特徴とする内燃機関の制御装置。
【請求項７】
更に、少なくとも前記内燃機関の運転状態情報と、前記燃料の噴射時期とに応じて予め推定したＮＯＸ排気ガス濃度データを記憶するＮＯＸ排ガス濃度記憶手段を備え、
前記水素添加量決定手段によって前記内燃機関の最適な熱効率を与える前記所定の水素添加濃度を算出した後、
前記燃料供給制御手段が、前記内燃機関の運転状態情報を参照して、前記ＮＯＸ排ガス濃度記憶手段に記憶された前記ＮＯＸ排気ガス濃度データにもとづいて、燃料の噴射時期を決定することを特徴とする請求項５又は請求項６に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項８】
前記内燃機関の運転状態情報は、少なくとも前記内燃機関の回転速度と前記要求トルクとを含むことを特徴とする請求項５から請求項７のいずれか１項に記載の内燃機関の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の制御装置に関し、特に広範囲の運転領域にわたり安定して運転できる予混合圧縮着火燃焼方式（ＰＣＣＩ（Premixed Charge Compression Ignition）燃焼方式）の内燃機関の制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ディーゼルエンジンに用いられる拡散燃焼方式は、燃焼室内に取り込んだ空気を圧縮し、この圧縮された空気に燃料を噴射し、自己着火によって燃焼させる。この様なディーゼルエンジンは、ガソリンエンジンに比較して熱効率が良い反面、燃焼室内における不均一な噴霧燃料の分布に起因して混合気濃度の不均一性が高く、その燃焼は噴霧火炎の燃焼領域と空気領域とに分かれている。その結果、燃焼温度の不均一性も高くなっている。これは、燃料が濃すぎる領域や高温の領域が存在することになり、ＮＯｘやパティキュレートマター（以下、「ＰＭ（Particulate Matter）」という）の発生し易い領域が燃焼室内に混在しているということを意味する。このため、ＮＯｘとＰＭを同時に低減することが困難であり、これらの排出量が多くなり、排気の後処理システムに掛かる負担が大きいという課題があった。
【０００３】
この点に鑑みて、近年では、燃費を確保しつつＮＯｘ及びＰＭの排出量を大幅に低減することを目的として予混合による燃焼改良が注目されている。予混合によるディーゼルエンジンの燃焼改良には、均質予混合圧縮着火燃焼（ＨＣＣＩ（Homogeneous Charge Compression Ignition）燃焼）と予混合圧縮着火燃焼（ＰＣＣＩ燃焼）の２種類が考えられている。
ＨＣＣＩ燃焼とは、ガソリンエンジンのように吸気管で空気と燃料を均一に混合させて燃焼室に送り込み、燃焼は圧縮自己着火でさせるという考え方である。
【０００４】
ＨＣＣＩ燃焼方式では、吸気行程で吸気ポートに燃料を噴射し、均一な混合気にしてから燃焼室に導入する。したがって、燃料と空気が十分に混ざるので混合気全体がリーンで、ディーゼルエンジンの様な理論混合比付近の空燃比は存在せず、燃焼温度は低くなる。したがって、ＮＯｘはほとんど発生しないが、燃焼室内の全ての燃料を燃焼させるのは難しく、気筒壁面に付着した燃料は燃焼することなく排出されて、結果的にＨＣ（炭化水素）排出が増加する。また、着火時期の制御が難しく、圧縮する気筒内の温度に依存するため熱効率が低下する。
【０００５】
これに対し、ＰＣＣＩ燃焼は、通常のディーゼルエンジンと同様に圧縮行程で燃料を気筒内に噴射して予混合させるという考え方である。従来のディーゼルエンジンの燃料噴射タイミングがクランク角度で、上死点前１０°くらいからであるものを、ＰＣＣＩ燃焼では燃料と空気との混合時間よりも乱流混合速度の増加に主眼を置き、従来よりも燃料の噴射時期を遅延化しつつ、燃料噴射が終了してから着火させることを狙う。
着火時期は、従来のディーゼルエンジンよりも１０〜１５°遅れることで、ある程度希薄化した予混合気を圧縮着火させ、低温でＮＯｘの発生が無く、且つ、ＰＭの少ない燃焼となる。
【０００６】
図２０は、局所温度と局所当量比に対するＰＭの生成領域とＮＯｘの生成領域を示す説明図である。図２０に示すように、局所当量比が高い（燃料が過濃な）部分では酸素不足によりＰＭが生成され、局所当量比が低く且つ局所温度が高い部分ではＮＯｘが生成される。
破線Ｙに示すように、従来の拡散燃焼では、不均一な噴霧燃料を圧縮着火させることで、ＰＭの生成領域及びＮＯｘの生成領域の両方にわたって燃焼する。一方、実線Ｘで示すように、ＰＣＣＩ燃焼は、希薄化した予混合気を圧縮着火することで、従来の拡散燃焼に対して燃料の過濃な領域や高温の領域が少なく、ＰＭ及びＮＯｘの生成量を低減することができる。
【０００７】
この様なＰＣＣＩ燃焼方式のエンジンにおいては、近年ではさまざまな研究がなされている。例えば、特許文献１，２では、燃焼効率の向上及び未燃のＨＣやＣＯ（一酸化炭素）等の低減による排気のエミッションを更に向上することを目的として、第１燃料を吸気に混合して予混合気を供給する混合デバイスと、第２燃料を燃焼室内に直接噴射する直接燃料インジェクタとを備えるものが記載されている。このエンジンでは、燃焼室内で予混合気が着火した後に、燃焼室内に第２燃料を直接噴射する。また、この特許文献１，２では、第１燃料及び第２燃料として、天然ガス、ガソリン、軽油、ナフサ、プロパンガス等の燃料を組み合わせたものが示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特表２００３−５３２８２８号公報
【特許文献２】特表２００３−５３２８２９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、前記した特許文献１，２に記載された従来のＰＣＣＩ燃焼方式の内燃機関では、中高負荷領域において急激な燃焼になるため、騒音及び振動が大きくなるという課題がある。
この課題に対して、高セタン価燃料を用いたり、燃料の噴射時期を内燃機関の標準時期よりも遅らせたりすることで、ある程度の改善ができるものの、燃料噴射時期を遅らせる手法では、燃費や、着火及び燃焼の安定性が大幅に悪化することも知られている。ＰＣＣＩ燃焼方式の内燃機関では、中高負荷運転領域において前記した様な課題があるため、現状ではＰＣＣＩ燃焼方式は、低負荷領域のみに限定された燃焼方式である。
【００１０】
本発明は、前記した従来の課題を解決するものであり、広範囲の運転領域にわたり安定して運転できる予混合圧縮着火燃焼方式の内燃機関の制御装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
前記課題を解決するために、軽油により、又は軽油を含む混合燃料により運転可能な内燃機関の制御装置において、軽油を、又は軽油を含む混合燃料を、内燃機関に供給する燃料供給手段と、水素を内燃機関に供給するガス供給手段と、水素添加濃度によって変化する複数の燃焼波形により予め得られる水素添加濃度に係る燃焼データを利用する燃焼制御手段とを備え、内燃機関の状態に応じて熱効率が高くなる様に、水素添加濃度に係る燃焼データの中から適切なものを選択し、内燃機関に供給する水素添加濃度を決定する水素添加量決定手段と、を備えることを特徴とする。
【００１２】
請求項１の発明によれば、例えば、内燃機関の回転速度及び内燃機関が出力するように要求される要求トルクで示される内燃機関の状態に応じて熱効率が高くなる様に、水素添加濃度に係る燃焼データの中から適切なものを選択し、内燃機関に供給する水素添加濃度を決定する。つまり、予混合圧縮着火燃焼に適した水素添加濃度の範囲の中から更に内燃機関の熱効率の高い燃焼波形を示す水素添加濃度を選択することができる。その結果、ＰＭ及びＮＯｘの生成量を低減することができるとともに、内燃機関の熱効率を向上させることができる。
【００１３】
請求項２に記載の発明の内燃機関の制御装置は、軽油により、又は軽油を含む混合燃料により運転可能な内燃機関の制御装置において、軽油を、又は軽油を含む混合燃料を、内燃機関に供給する燃料供給手段と、軽油から、又は軽油を含む混合燃料から水素を含む改質ガスを生成するガス生成手段と、水素を含む改質ガスを内燃機関に供給するガス供給手段と、水素添加濃度によって変化する複数の燃焼波形により予め得られる水素添加濃度に係る燃焼データを利用する燃焼制御手段とを備え、内燃機関の状態に応じて熱効率が高くなる様に、水素添加濃度に係る燃焼データの中から適切なものを選択し、内燃機関に供給する水素添加濃度を決定する水素添加量決定手段と、を備えることを特徴とする。
【００１４】
請求項２の発明によれば、軽油から、又は軽油を含む混合燃料から水素を含む改質ガスを生成し、水素添加濃度によって変化する複数の燃焼波形により予め得られる水素添加濃度に係る燃焼データを利用でき、例えば、内燃機関の回転速度及び内燃機関が出力するように要求される要求トルクで示される内燃機関の状態に応じて熱効率が高くなる様に、前記水素添加濃度に係る燃焼データの中から適切なものを選択し、内燃機関に供給する水素添加濃度を決定する。つまり、予混合圧縮着火燃焼に適した水素添加濃度の範囲の中から更に内燃機関の熱効率を向上させることができる。
【００１５】
請求項３に記載の発明の内燃機関の制御装置は、請求項１または請求項２に記載の発明の構成に加え、内燃機関の状態に応じて熱効率が高くなる様に、水素添加濃度に係る燃焼データの中から適切なものを選択し、内燃機関に供給する水素添加濃度を決定した後、軽油の噴射時期を、又は軽油を含む混合燃料の噴射時期を、決定する噴射時期決定手段を備えることを特徴とする。
【００１６】
請求項３の発明によれば、内燃機関の状態に応じて熱効率が高くなる様に、水素添加濃度に係る燃焼データの中から適切なものを選択し、内燃機関に供給する水素添加濃度を決定した後、軽油又は軽油を含む混合燃料の噴射時期を決定するので、内燃機関の熱効率を向上させるとともに、ＮＯＸの発生率を抑制することができる。
【００１７】
請求項４に記載の発明の内燃機関の制御装置は、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の発明の構成に加え、内燃機関の状態とは、少なくとも内燃機関の回転速度と、内燃機関が出力するように要求される要求トルクとを含むことを特徴とする。
【００１８】
請求項４の発明によれば、少なくとも内燃機関の回転速度と、内燃機関が出力するように要求される要求トルクとを含む内燃機関の状態に応じて予混合圧縮着火燃焼に適した水素添加濃度の範囲の中から更に内燃機関の熱効率を向上させ燃焼波形を適切に選択することができる。
また、少なくとも内燃機関の回転速度と、内燃機関が出力するように要求される要求トルクとを含む内燃機関の状態に応じてＮＯＸの発生率を抑制することができる。
【００１９】
請求項５に記載の発明の内燃機関の制御装置は、軽油を燃料とし、又は軽油を含む混合燃料を燃料とし、燃焼室内でこの燃料を圧縮着火させる内燃機関の制御装置において、燃料を内燃機関の各気筒に供給する燃料供給手段と、水素を含む予混合ガスを内燃機関の各気筒に供給するガス供給手段と、アクセル開度と内燃機関の回転速度にもとづいて内燃機関に出力させる要求トルクを算出する要求トルク算出手段と、内燃機関の回転速度と、算出された要求トルクにもとづいて、燃料の各気筒への噴射量を算出する燃料噴射量算出手段と、内燃機関の予混合圧縮着火燃焼条件と、算出された燃料の各気筒への噴射量とにもとづいて、燃料供給手段による燃料の各気筒への噴射時期及び噴射期間を制御する燃料供給制御手段と、少なくとも内燃機関の回転速度及び算出された要求トルクを含む内燃機関の運転状態情報をパラメータにし、水素添加濃度によって変化する複数の燃焼波形により予め得られる水素添加濃度に係る燃焼データを記憶する水素添加濃度に係る燃焼データ記憶手段と、内燃機関の運転状態情報を参照して、水素添加濃度に係る燃焼データ記憶手段に記憶された水素添加濃度に係る燃焼データにもとづいて、内燃機関の最適な熱効率を与える前記所定の水素添加濃度を算出し、各気筒に供給する水素量を算出する水素添加量決定手段と、内燃機関の予混合圧縮着火燃焼条件と、算出された各気筒に供給する水素量とにもとづいて、ガス供給手段による予混合ガスの各気筒への噴射時期及び噴射時間を制御するガス供給制御手段と、を備えることを特徴とする。
【００２０】
請求項５の発明によれば、予め記憶されている内燃機関の最適な熱効率を与える所定水素添加濃度を算出可能な水素添加濃度に係る燃焼データにもとづき、例えば、少なくとも内燃機関の回転速度と内燃機関が出力するように要求される要求トルクとを含む内燃機関の運転状態情報を参照して、最適な熱効率を与える所定の水素添加濃度を算出し、供給する水素量を算出することができる。そして、内燃機関の回転速度と要求トルクにもとづいて燃料の各気筒への噴射量を算出する燃料噴射量を算出し、内燃機関の予混合圧縮着火燃焼条件と、算出された燃料噴射量とにもとづいて、燃料の噴射時期及び噴射期間を制御できるので、予混合圧縮着火燃焼を安定して実現できる。また、内燃機関の熱効率を向上させることができる。
【００２１】
請求項６に記載の発明の内燃機関の制御装置は、軽油を燃料とし、又は軽油を含む混合燃料を燃料とし、燃焼室内でこの燃料を圧縮着火させる内燃機関の制御装置において、燃料を内燃機関の各気筒に供給する燃料供給手段と、燃料から水素又は水素を含む改質ガスを予混合ガスとして生成するガス生成手段と、予混合ガスを内燃機関の各気筒に供給するガス供給手段と、アクセル開度と内燃機関の回転速度にもとづいて内燃機関に出力させる要求トルクを算出する要求トルク算出手段と、内燃機関の回転速度と、算出された要求トルクにもとづいて、燃料の各気筒への噴射量を算出する燃料噴射量算出手段と、内燃機関の予混合圧縮着火燃焼条件と、算出された燃料の各気筒への噴射量とにもとづいて、燃料供給手段による燃料の各気筒への噴射時期及び噴射時間を制御する燃料供給制御手段と、少なくとも内燃機関の回転速度及び算出された要求トルクを含む内燃機関の運転状態情報をパラメータにし、水素添加濃度によって変化する複数の燃焼波形により予め得られる水素添加濃度に係る燃焼データを記憶する水素添加濃度に係る燃焼データ記憶手段と、内燃機関の運転状態情報を参照して、水素添加濃度に係る燃焼データ記憶手段に記憶された水素添加濃度に係る燃焼データにもとづいて、内燃機関の最適な熱効率を与える所定水素添加濃度を算出し、各気筒に供給する水素量を算出する水素添加量決定手段と、内燃機関の予混合圧縮着火燃焼条件と、算出された各気筒に供給する水素量とにもとづいて、ガス供給手段による予混合ガスの各気筒への噴射時期及び噴射時間を制御するガス供給制御手段と、を備え、ガス供給手段は、生成された予混合ガスを圧縮するガス圧縮機と、圧縮された予混合ガスを蓄圧状態に貯留する蓄圧タンクと、蓄圧タンクの予混合ガスを、内燃機関の各気筒に向けて分岐したガス供給管を通じて供給されて噴射するガス噴射弁と、を有することを特徴とする。
【００２２】
請求項６の発明によれば、予め記憶されている内燃機関の最適な熱効率を与える所定水素添加濃度を算出可能な水素添加濃度に係る燃焼データにもとづき、例えば、少なくとも内燃機関の回転速度と内燃機関が出力するように要求される要求トルクとを含む内燃機関の運転状態情報を参照して、最適な熱効率を与える所定の水素添加濃度を算出し、供給する水素量を算出することができる。そして、内燃機関の回転速度と要求トルクにもとづいて燃料の各気筒への噴射量を算出する燃料噴射量を算出し、内燃機関の予混合圧縮着火燃焼条件と、算出された燃料噴射量とにもとづいて、燃料の噴射時期及び噴射期間を制御できるので、予混合圧縮着火燃焼を安定して実現できる。また、内燃機関の熱効率を向上させることができる。
更に、予混合ガスは、軽油から、又は軽油を含む混合燃料から生成されるので、予混合ガスを別個供給受けずに済むので内燃機関の運用に好都合である。
【００２３】
請求項７に記載の発明の内燃機関の制御装置は、請求項５又は請求項６に記載の発明の構成に加え、更に、少なくとも内燃機関の運転状態情報と、燃料の噴射時期とに応じて予め推定したＮＯＸ排気ガス濃度データを記憶するＮＯＸ排ガス濃度記憶手段を備え、水素添加量決定手段によって内燃機関の最適な熱効率を与える所定の水素添加濃度を算出した後、燃料供給制御手段が、内燃機関の運転状態情報を参照して、ＮＯＸ排ガス濃度記憶手段に記憶されたＮＯＸ排気ガス濃度データにもとづいて、燃料の噴射時期を決定することを特徴とする。
【００２４】
請求項７の発明によれば、更に、内燃機関の運転状態情報と、燃料の噴射時期とに応じて予め推定したＮＯＸ排気ガス濃度データを記憶することができ、内燃機関の最適な熱効率を与える所定の水素添加濃度を算出した後、内燃機関の運転状態情報を参照して、ＮＯＸ排ガス濃度記憶手段に記憶されたＮＯＸ排気ガス濃度データにもとづいて、燃料の噴射時期を決定するので、効果的にＮＯＸの発生率を抑制することができる。
【００２５】
請求項８に記載の発明の内燃機関の制御装置は、請求項５から請求項７のいずれか１項に記載の発明の構成に加え、内燃機関の運転状態情報は、少なくとも内燃機関の回転速度と要求トルクとを含むことを特徴とする。
【００２６】
請求項８の発明によれば、少なくとも内燃機関の回転速度と要求トルクとを含む内燃機関の運転状態情報にもとづいて予混合圧縮着火燃焼に適した水素添加濃度で、かつ、内燃機関の熱効率を向上させ水素添加濃度を決定することができる。
また、少なくとも内燃機関の回転速度と要求トルクとを含む内燃機関の運転状態情報にもとづいて燃料の噴射時期を決定できるので、ＮＯＸの発生率を抑制することができる。
【発明の効果】
【００２７】
本発明によれば、広範囲の運転領域にわたり安定して運転できる予混合圧縮着火燃焼方式の内燃機関の制御装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】第１の実施形態のエンジン制御装置の概略機能構成図である。
【図２】図１のエンジンの気筒頭部拡大図である。
【図３】エンジン制御装置に用いられるエンジン制御電子制御ユニットのハード的な構成説明図である。
【図４】第１の実施形態のエンジン制御電子制御ユニットの機能ブロック構成図である。
【図５】第１の実施形態のエンジン制御電子制御ユニットの機能ブロック構成図におけるＰＣＣＩ燃焼主燃料噴射制御部の詳細機能ブロック構成図である。
【図６】主燃料噴射時期と排気ガスのＮＯ発生率の関係を示す説明図である。
【図７】第１の実施形態のエンジン制御電子制御ユニットの機能ブロック構成図における要求予混合ガス演算部の詳細機能ブロック構成図である。
【図８】（ａ）は、吸気への水素添加濃度をパラメータに熱発生率の時間変化波形（燃焼波形）をクランク角で示す時間推移の説明図、（ｂ）は、吸気への水素添加濃度の違いによる気筒内圧の変化をクランク角で示す時間推移の説明図である。
【図９】第１の実施形態における水素添加濃度と熱効率との関係を示す説明図である。
【図１０】ガスインジェクタの噴射時期及び噴射期間を、排気弁及び吸気弁の開閉タイミングを参照して説明する図である。
【図１１】予混合ガスの噴射制御と主燃料噴射制御の方法の流れを示すフローチャートである。
【図１２】第1の実施形態及び比較例に係るエンジン回転速度とエンジントルクに対するＰＣＣＩ燃焼が可能な領域を比較した図である。
【図１３】水素添加濃度の違いによる熱効率の向上の例を示す説明図である。
【図１４】水素添加濃度、主燃料噴射時期の最適化の違いによるＮＯ発生率の低減効果の例を示す説明図である。
【図１５】第１の実施形態における水素添加濃度とＮＯ発生率との関係を示す説明図である。
【図１６】（ａ）は、燃料噴射時期の違いによる燃焼波形の比較を示す説明図、（ｂ）は、図１６の（ａ）に対応する燃料噴射時期の違いによる気筒内圧の変化の例を示す説明図である。
【図１７】ＰＣＣＩ燃焼の燃焼改善による熱効率の向上とＮＯ発生抑制が見込める主燃料噴射時期と、水素添加濃度の領域を示す説明図である。
【図１８】第２の実施形態のエンジン制御装置の概略機能構成図である。
【図１９】第２の実施形態のエンジン制御電子制御ユニットの機能ブロック構成図である。
【図２０】局所温度と局所当量比に対するＰＭの生成領域とＮＯｘの生成領域と示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
《第１の実施形態》
図１から図４を参照して本発明の第１の実施形態に係わるエンジン制御装置（内燃機関の制御装置）の概要について説明する。
図１は、第１の実施形態の本実施形態のエンジン制御装置の概略機能構成図であり、図２は、図１のエンジンの気筒頭部拡大図であり、図３は、エンジン制御装置に用いられるエンジン制御電子制御ユニットのハード的な構成説明図であり、図４は、エンジン制御電子制御ユニットの機能ブロック構成図である。
内燃機関（以下、エンジンと称する）１は、気筒２に形成された燃焼室４内で、ピストン３により圧縮した高温の吸気内に燃料を噴射して自己着火させるディーゼルエンジンである。ちなみに、エンジン１は、吸気弁１６、排気弁１７をシリンダヘッドに設けた４ストロークディーゼルエンジンである。
なお、図１には、エンジン１の複数の気筒２のうち１つのみを代表的に図示している。
【００３０】
このエンジン１の制御装置であるエンジン制御装置（内燃機関の制御装置）１００Ａには、主燃料（燃料）を供給する主燃料供給系（燃料供給手段）１１０と、排気還流系１２０と、水素を含むガスを貯留した水素タンク３４Ａから減圧調整して予混合ガスとして供給するガス供給系（ガス供給手段）１３０Ａと、を備えている。
主燃料供給系１１０は、主に、燃料インジェクタ５、コモンレール６、高圧供給ポンプ８、燃料タンク４２、燃料フィルタ４３Ａ、それらを接続する配管６２Ａ，６３，６４，６５Ａ，７１，７３や、各種センサＳＰｃ，ＳＴｆ、流量調整弁６９、圧力調整弁７２等から構成される。
排気還流系１２０は、排気還流通路（以下、ＥＧＲ通路という）２３、排気還流量調整弁（以下、ＥＧＲ弁と称する）２４、ＥＧＲクーラ２５から構成される。
ガス供給系１３０Ａは、主に、ガスインジェクタ（ガス噴射弁）３１、ヘッダ管３２、圧力調整弁３３、水素タンク３４Ａ、それらを接続する配管７５，７６、各種センサＳＰＨｂ，ＳＰｈｇ等から構成される。
【００３１】
（主燃料供給系）
先ず、主燃料供給系１１０について説明する。
燃焼室４の上面の略中央部には、燃料インジェクタ５が先端部の噴射孔を燃焼室４に臨ませて配設されていて、各気筒２に所定の噴射タイミングで開閉作動されて、燃焼室４に主燃料を直接噴射するようになっている。
【００３２】
前記各燃料インジェクタ５には、高圧の燃料を蓄える共通のコモンレール６から分岐した高圧燃料供給配管６４がそれぞれ接続されている。そのコモンレール６には、内部の燃圧（以下、コモンレール圧とも称する）Ｐｃを検出するコモンレール圧センサＳＰｃと、目標コモンレール圧より高い場合に、主燃料を戻り配管７１を介して燃料タンク４２に戻し、燃圧を調整する圧力調整弁７２が配設されているとともに、クランク軸７により駆動される高圧供給ポンプ８の吐出口からの吐出配管６３が接続されている。
図１に示した燃料インジェクタ５は背圧式のものであり、燃料インジェクタ５のアクチュエータ５ａ（図２参照）を駆動すると、主燃料噴射動作のために一部の主燃料が戻り配管７３を経由して燃料タンク４２に戻される構成となっている。燃料インジェクタ５が直動式の場合は、戻り配管７３は不要となる。
【００３３】
この高圧供給ポンプ８は、圧力調整弁７２と協調動作して、コモンレール圧センサＳＰｃにより検出されるコモンレール６内の燃圧Ｐｃが、エンジン回転速度Ｎｅ（内燃機関の運転状態情報）と要求トルクＴｒｑｓｏｌ（内燃機関の運転状態情報）で決まる値に（例えば、エンジン１の運転状態に応じて、３０ＭＰａ〜２００ＭＰａ）に保持されるように作動する。
高圧供給ポンプ８の吐出口には、主燃料の温度を検出する燃料温度センサＳＴｆが設けられている
【００３４】
また、クランク軸７の回転角度を検出するクランク角センサＳａが設けられており、このクランク角センサＳａは、クランク軸７の端部に設けた被検出用プレート（図示せず）の外周に相対向するように配置され電磁ピックアップからなり、前記被検出用プレートの外周部全周に亘って形成された突起部の通過に対応してパルス信号を出力するようになっている。その他エンジン１にはＴＤＣ（Top Dead Center）センサＳｂも設けられ、気筒２を判別するための気筒判別信号であるＴＤＣ信号をＥＣＵ５０Ａに入力する。
【００３５】
（吸気系）
次に、エンジン１の吸気系の構成について説明する。
エアクリーナ４１で濾過された吸気（空気）は、吸気通路１０を通り、図示しないサージタンクを介して気筒２毎に分岐して、それぞれ吸気ポートから各気筒２の燃焼室４に導入される。前記吸気通路１０には上流側から下流側に向かって順に、前記したエアクリーナ４１、エンジン１に吸入される吸気流量を検出するエアフローセンサＳＡｉｒ、吸気を圧縮するターボ過給機１２の圧縮機１２ｂ、圧縮されて温度の高くなった吸気を冷却するインタークーラ１３、吸気通路１０の断面積を絞るスロットル弁１４、前記したサージタンク内で各気筒２に供給される過給圧力を検出する過給圧センサＳＰｓａ及び吸気温度を検出する過給気温度センサＳＴｓａと、が設けられている。
また、大気圧を検出する大気圧センサＳＰａｔや大気温度を検出する大気温度センサＳＴａｔが配設され、エンジン制御電子制御ユニット５０Ａ（以下、ＥＣＵ５０Ａと称する）には、それらの信号が入力されている。
【００３６】
このスロットル弁１４は、全閉状態でも吸気が流通可能なように切り欠きが設けられた、例えば、バタフライバルブからなり、例えば、ソレノイドバルブ方式の駆動機構が用いられ、スロットル開度センサ１４ａを内蔵し、スロットル弁１４の開度がＥＣＵ５０Ａに制御されるようになっている。
【００３７】
前記エアフローセンサＳＡｉｒは、流速変動があっても空気流量を確実にとらえることができる、例えば、特開２０００−１０４６２８号公報の段落［００２９］に記載の様な定温度型ホットフィルム式エアフローセンサである。このエアフローセンサＳＡｉｒによる計測値にもとづいて、正方向の空気流量のみを計測することができ、排気還流量の制御に逆流による誤差が入ることを避けることができる。
【００３８】
（排気系）
また、図１において、各気筒２の燃焼室４から排ガスを排出する排気通路２０の上流端部は分岐して、それぞれ図示しない排気ポートにより各気筒２の燃焼室４に接続されている。この排気通路２０には、上流側から下流側に向かって順に、排ガス中の酸素濃度を検出する排気Ｏ２センサＳＯ２ｅｘと、排ガス流により回転されるタービン１２ａと、排ガス中のＨＣ、ＣＯ及びＮＯｘ並びにパティキュレートを浄化可能な触媒コンバータ２２とが配設されている。
触媒コンバータ２２は、酸化触媒部２２ａとＤＰＦ（Diesel Particulate Filter）２２ｂを有している。そして、触媒コンバータ２２の入口側と出口側の差圧を検出する差圧センサＳΔＰと、酸化触媒部２２ａ出口側及びＤＰＦ出口側に排気温度センサＳＴｅｘ１，ＳＴｅｘ２が設けられている。更に、触媒コンバータ２２の下流側に排気ガス中の空燃比（Ａ／Ｆ比）を検出する排気Ａ／ＦセンサＳＡ／Ｆｅｘが配されている。
【００３９】
前記タービン１２ａ及び圧縮機１２ｂからなるターボ過給機１２は、例えば、タービン１２ａを収容するタービン室に該タービンの全周を囲むように図示しない複数のベーンが設けられ、その各ベーンが排気流路のノズル断面積を変化させるように回動するＶＧＴ（バリアブルジオメトリーターボ）である。
そのため、可動ベーンを回動させるＶＧＴアクチュエータ２１が設けられ、可動ベーン回動位置を検出するＶＧＴポジションセンサ２１ａを有し、ベーン回動位置の目標位置と実位置との差を検出してＥＣＵ５０Ａによりフィードバック制御される構成としている。
【００４０】
（排気還流系）
前記排気通路２０は、タービン１２ａよりも上流側の部位で、排ガスの一部を吸気側に還流させるＥＧＲ通路２３の上流端に分岐接続されている。このＥＧＲ通路２３の下流端はスロットル弁１４よりも吸気下流側の吸気通路１０に接続されており、そのＥＧＲ通路２３の途中の下流端寄りには、開度調整可能なＥＧＲ弁２４が配置されている。そして、前記ＥＧＲ通路２３を流れる排ガスに対して上流側である排気通路２０の圧力（以下、排気側圧力という）と下流側である吸気通路１０の圧力（以下、吸気側圧力という）との間の圧力差によって前記排気通路２０から吸い出した排ガスの一部を、ＥＧＲ弁２４により流量調整しながら吸気通路１０に還流させるようになっている。
【００４１】
ちなみに、ＥＧＲ弁２４は、例えば、リニアソレノイド式の弁であり、ソレノイドの頭部にＥＧＲ弁リフトセンサ２４ａを有し、目標開度と実開度との差を検出してＥＣＵ５０Ａによりフィードバック制御される構成としている。
【００４２】
前記燃料インジェクタ５、スロットル弁１４、ＥＧＲ弁２４、ＶＧＴアクチュエータ２１等は、ＥＣＵ５０Ａからの制御信号によって作動するように構成されている。一方、このＥＣＵ５０Ａには、前記過給圧センサＳＰｓａ、過給気温度センサＳＴｓａからの出力信号と、クランク角センサＳａからの出力信号と、エアフローセンサＳＡｉｒからの出力信号と、排気Ｏ２センサＳＯ２ｅｘからの出力信号と、ＥＧＲ弁リフトセンサ２４ａからの出力信号と、車両の運転者によるアクセルペダル９の操作量（アクセル開度）を検出するアクセル開度センサＳＡｃｃからの出力信号とが少なくとも入力されている。
ちなみに、気筒２の冷却水の温度を検出する水温センサＳＴｗｊが設けられ、その信号もＥＣＵ５０Ａに入力されている。
【００４３】
（ガス供給系）
次に、ガス供給系１３０Ａについて説明する。
各気筒２の吸気ポートには、ガスインジェクタ３１が配設されていて、各気筒２に所定の噴射タイミングで開閉作動されて、予混合ガスである水素を含むガスを先端部の噴射孔を吸気弁１６に向けて噴射するようになっている。
【００４４】
前記各ガスインジェクタ３１には、共通のヘッダ管３２から分岐したガス供給配管７６がそれぞれ接続されている。そのヘッダ管３２には、内部のガス圧（以下、ヘッダ圧と称する）Ｐｇを検出するヘッダ圧センサＳＰｈｇが配設されている。そして、ヘッダ管３２には圧力調整弁３３を介して水素タンク３４Ａから予混合ガスを供給するガス供給元管７５が接続されている。ガス供給元管７５には、水素タンク３４Ａの圧力を検出する水素タンク圧センサＳＰＨｂが設けられている。
圧力調整弁３３は、ＥＣＵ５０Ａに制御されてヘッダ圧Ｐｇを制御する。
【００４５】
圧力調整弁３３は、水素タンク圧ＰＨｂから減圧して、ヘッダ管３２を介して予混合ガスをガスインジェクタ３１に供給する。ヘッダ管３２は、各気筒２におけるガスインジェクタ３１の噴射による圧力変動を緩和するものである。ヘッダ管３２の容積及び各気筒２のガスインジェクタ３１までのガス供給配管７６の容積の合計は、エンジン１の各気筒２に１回ずつ噴射する分、例えば、４気筒のエンジンなら、４回の噴射量の最大値程度である。
ガスインジェクタ３１は、噴射圧が比較的低く設定できるので、直動式のもので十分である。ガスインジェクタ３１のアクチュエータ３１ａ（図２参照）は、例えば、ソレノイド式又はピエゾ式である。
ちなみに、符号１８で示すものはグロープラグである。
【００４６】
（制御システムの全体構成）
次に、図３を参照しながら適宜図４を参照して本実施形態の内燃機関の制御装置に用いられるＥＣＵ５０Ａについて説明する。
ＥＣＵ５０Ａは、図３に示されるようにマイクロコンピュータと周辺の電気回路で構成され、カレンダ時計機能を有するＣＬＯＣＫ２０１、制御と演算の機能を有するＣＰＵ（中央処理装置）２０２、プログラムを記憶するＲＯＭ２０３、プログラム実行時にデータ等を記憶するＲＡＭ２０４、入力インタフェース２０６、出力インタフェース２０７、並びに、ＣＰＵ２０２とＲＯＭ２０３、ＲＡＭ２０４、入力インタフェース２０６、出力インタフェース２０７等を相互に接続するバス２０５を備えている。
【００４７】
前記した入力インタフェース２０６には、各種のセンサからの信号が入力される。
クランク角センサＳａからのパルス信号は、パルスインクレメント回路４６で処理されて、所定のクランク角度に対応させた信号（以下、クランク角度Ａｃｒａｎｋと称する）とし、ＴＤＣセンサＳｂからのＴＤＣ信号とともに入力インタフェース２０６を介してＣＰＵ２０２に入力される。
【００４８】
図３に示すようにパルスインクレメント回路４６の信号はクランク角度Ａｃｒａｎｋを示す信号として、ＴＤＣセンサＳｂの信号はどの気筒２が爆発行程に入ったかを示すＴＤＣ信号として、入力インタフェース２０６を介してＣＰＵ２０２に入力される。
なお、エンジン回転速度Ｎｅは、クランク角度Ａｃｒａｎｋを示す信号からＣＰＵ２０２内で算出され、図４に示す機能ブロック図の中で使用される。
【００４９】
そのほかに、図３に示すように、アクセル開度センサＳＡｃｃからのアクセル開度θｔｈを示す信号、スロットル開度センサ１４ａからの信号、過給圧センサＳＰｓａからの過給気圧Ｐｓａを示す信号、過給気温度センサＳＴｓａからの吸気温度Ｔｓａを示す信号、エアフローセンサＳＡｉｒからの新気量ＦＡｉｒをしめす信号、大気圧センサＳＰａｔからの大気圧Ｐａｔを示す信号、大気温度センサＳＴａｔからの大気温度Ｔａｔを示す信号等が吸気系に関係する信号として入力される。
なお、新気量ＦＡｉｒは、大気圧Ｐａｔ及び大気温度Ｔａｔで標準温度及び標準大気圧状態での新気量ＦＡｉｒの換算計算に用いられる。
【００５０】
主燃料供給系１１０の関係では、図３に示すように燃料温度センサＳＴｆからの燃料温度Ｔｆの信号と、コモンレール圧センサＳＰｃからのコモンレール圧Ｐｃの信号が入力される。ちなみに、燃料温度Ｔｆは後記するＰＣＣＩ燃焼主燃料噴射制御部５１１（図４参照）において主燃料の噴射量を設定するときに燃料温度Ｔｆによる密度変化を考慮して噴射時間を設定する。
【００５１】
排気還流系１２０の関係では、図３に示すようにＥＧＲ弁リフトセンサ２４ａからのリフト量を示す信号が入力される。
ガス供給系１３０Ａの関係では、水素タンク圧センサＳＰＨｂからの水素タンク３４Ａの圧ＰＨｂを示す信号及びヘッダ圧センサＳＰｈｇからのヘッダ圧Ｐｇを示す信号が入力される。
【００５２】
排気系の関係では、図３に示すように排気Ｏ２センサＳＯ２ｅｘからの排気酸素濃度を示す信号、ＶＧＴポジションセンサ２１ａからのベーン回動位置を示す信号、触媒コンバータ２２（図１参照）に配置されている排気温度センサＳＴｅｘ１，ＳＴｅｘ２からの排気温度Ｔｅｘ１，Ｔｅｘ２を示す信号、排気Ａ／ＦセンサＳＡ／Ｆｅｘからの触媒コンバータ２２通過後の排気中のＡ／Ｆ比を示す信号や、差圧センサＳΔＰから差圧ΔＰの信号が入力される。
なお、排気温度Ｔｅｘ１，Ｔｅｘ２、排気中のＡ／Ｆ比、及び差圧ΔＰの信号は、触媒コンバータ２２の排気浄化機能の監視及び制御に主に用いられるものであり、本発明の特徴には関係しない。
また、水温センサＳＴｗｊからの水温Ｔｗｊの信号も入力される。この信号は、エンジン１の起動直後の排気還流系１２０のＥＧＲクーラ２５の温度制御やインタークーラ１３の温度制御等に用いられる。
【００５３】
図３に示すように、ＣＰＵ２０２からは、前記した出力インタフェース２０７を介して、各種の駆動回路等への制御信号が出力される。
例えば、高圧供給ポンプ８への主燃料への流入量を制御する流量調整弁６９への制御信号、燃料インジェクタ５のアクチュエータ５ａを制御する燃料インジェクタ駆動回路３０１への制御信号、コモンレール６の圧力調整弁７２への制御信号、ガスインジェクタ３１のアクチュエータ３１ａ（図２参照）を制御するガスインジェクタ駆動回路３０２への制御信号、ヘッダ管３２の圧力調整弁３３への制御信号、スロットル弁１４を駆動するスロットル弁駆動回路３０３への制御信号、ＥＧＲ弁２４を駆動するＥＧＲ弁駆動回路３０４への制御信号、ＶＧＴアクチュエータ２１を駆動制御するＶＧＴアクチュエータ駆動回路３０５への制御信号等である。
なお、図３中、破線枠で示した機能ブロックは第２の実施形態における追加の構成であり、詳細は第２の実施形態において説明する。
【００５４】
《エンジン制御についての説明》
次に、図４を参照しながら、適宜、図３、図５から図７を参照してＥＣＵ５０Ａにおけるエンジン制御について説明する。
（制御の概要）
前記ＥＣＵ５０Ａにおけるエンジン制御の基本的な処理の概要は図４の機能ブロック図に示されており、アクセル開度θｔｈとエンジン回転速度Ｎｅにもとづいて要求トルクＴｒｑｓｏｌを算出し（要求トルク算出手段）、基本となる主燃料の噴射量、主燃料の噴射時期及び予混合ガスの噴射量（水素添加濃度）を決定するとともに、ＥＧＲ弁２４の作動によりＥＧＲ率を調整して、各気筒２のＡ／Ｆ比（空燃比）を均一かつ高精度に制御するようにしている。前記ＥＧＲ率は全排気量中の還流される排ガス量（ＥＧＲ量）の割合をいう（ＥＧＲ率＝ＥＧＲ量／全排気量）。
【００５５】
具体的には、前記ＥＣＵ５０Ａには、アクセル開度θｔｈ及びエンジン回転速度Ｎｅの変化における、実験的に決定された最適な要求トルクＴｒｑｓｏｌを記録した二次元マップ５０１ａと、エンジン回転速度Ｎｅ、要求トルクＴｒｑｓｏｌ及び新気量（吸入空気量のことであり主燃料及び予混合ガスを含まない。以下、同じ。）ＦＡｉｒの変化における、実験的に決定された最適な目標主燃料噴射量Ｆｓｏｌを記録した三次元マップ５０５ａと、エンジン回転速度Ｎｅと要求トルクＴｒｑｓｏｌの変化における、実験的に決定された最適な目標空燃比Ａ／Ｆｓｏｌを記録した二次元マップ５０６ａとがそれぞれＲＯＭ２０３（図３参照）上に電子的に格納されている。
【００５６】
同様に、前記ＥＣＵ５０Ａには、エンジン回転速度Ｎｅ及び目標主燃料噴射量Ｆｓｏｌの変化における、実験的に決定された最適な吸気絞り量ＴＨｓｏｌを記録した二次元マップ５１４ａと、エンジン回転速度Ｎｅ及び要求トルクＴｒｑｓｏｌの変化における、実験的に決定された最適なコモンレール圧Ｐｃｓｏｌを記録したコモンレール圧の二次元マップ５１２ａと、エンジン回転速度Ｎｅと要求トルクＴｒｑｓｏｌの変化における、実験的に決定された最適な目標過給圧力Ｂｏｏｓｔｓｏｌを記録した二次元マップ５１６ａと、エンジン回転速度Ｎｅ及び要求トルクＴｒｑｓｏｌの変化における、最適なヘッダ圧Ｐｇｓｏｌを記録したヘッダ圧の二次元マップ５３１ａと、コモンレール圧Ｐｃ及び目標主燃料噴射量Ｆｓｏｌに応じた主燃料の噴射時間を決めるマップ６００（図５参照）と、エンジン回転速度Ｎｅ及び要求トルクＴｒｑｓｏｌの変化における、実験的に決定された排気ガス中のＮＯＸ発生率を低減する主燃料噴射時期（図５ではクランク角で主燃料噴射時期を表示）を決める主燃料噴射時期Ｆｉテーブル６０１（図５、図６参照）と、後記する最適熱効率マップ６０３（図７参照）と、がそれぞれＲＯＭ２０３（図３参照）上に電子的に格納されている。
【００５７】
（主燃料噴射制御）
先ず、主燃料噴射制御について図４を参照しながら説明する。
主燃料噴射制御では、先ず、アクセル開度センサＳＡｃｃにより検出されたアクセル開度θｔｈとクランク角センサＳａにより検出された信号からＥＣＵ５０ＡのＣＰＵ２０２でエンジン回転速度に変換されたエンジン回転速度Ｎｅとを用いて、要求トルク演算部（要求トルク算出手段）５０１において、前記メモリ上の二次元マップ５０１ａを参照して要求トルクＴｒｑｓｏｌを算出する。
【００５８】
要求トルク演算部５０１において算出された要求トルクＴｒｑｓｏｌと、エアフローセンサＳＡｉｒによって計測された新気量ＦＡｉｒとエンジン回転速度Ｎｅとを用いて、目標主燃料噴射量演算部５０５（燃料噴射量算出手段）において前記ＲＯＭ２０３上の三次元マップ５０５ａを参照して目標主燃料噴射量Ｆｓｏｌを算出する。
そして、この目標主燃料噴射量Ｆｓｏｌと後記する制御されたコモンレール圧Ｐｃｓｏｌとにもとづいて、ＰＣＣＩ燃焼主燃料噴射制御部５１１において各燃料インジェクタ５の励磁時間（噴射時期及び噴射時間）を決定し、燃料インジェクタ駆動回路３０１（図３参照）に出力し、ＰＣＣＩ燃焼条件にもとづく噴射時期及び噴射時間を制御する。
ここでＰＣＣＩ燃焼条件にもとづく噴射時期及び噴射時間の制御とは、標準大気圧力に換算したとき、新気の吸気量に対して前記標準大気圧力に対して後記する所定体積濃度の水素が添加された状態で、主燃料の噴射が完了した後で着火する様に、それもＴＤＣ後に着火し、かつ、排気ガス中のＮＯＸ量を低減する様に主燃料の噴射時期を制御することである。
なお、目標主燃料噴射量演算部５０５、ＰＣＣＩ燃焼主燃料噴射制御部５１１、コモンレール圧演算部５１２、コモンレール圧制御部５１３は特許請求の範囲に記載の「燃料供給制御手段」を構成する。
【００５９】
次に、図５を参照しながらＰＣＣＩ燃焼主燃料噴射制御部５１１について詳細に説明する。図５は、第１の実施形態のエンジン制御電子制御ユニットの機能ブロック構成図におけるＰＣＣＩ燃焼主燃料噴射制御部の詳細機能ブロック構成図である。
ＰＣＣＩ燃焼主燃料噴射制御部５１１は、ＰＣＣＩ燃焼主燃料噴射時間演算部５１１ａ（ＮＯＸ排ガス濃度記憶手段）と、ＰＣＣＩ燃焼主燃料噴射時期演算部５１１ｂとから構成されている。
ＰＣＣＩ燃焼主燃料噴射時間演算部５１１ａにおいては、予め求められたコモンレール圧Ｐｃ及び目標主燃料噴射量Ｆｓｏｌに応じた主燃料の噴射時間を決めるマップ６００にもとづき、目標主燃料噴射量Ｆｓｏｌとコモンレール圧Ｐｃを参照して、主燃料の燃料噴射時間Ｔｉを演算する。ちなみに、図５において、燃料噴射時間Ｔｉを決めるマップ６００は、横軸が目標主燃料噴射量Ｆｓｏｌ、縦軸が燃料噴射時間Ｔｉ、パラメータがコモンレール圧Ｐｃである。
【００６０】
次に、ＰＣＣＩ燃焼主燃料噴射時期演算部５１１ｂにおいては、要求トルクＴｒｑｓｏｌとエンジン回転速度Ｎｅを参照して、前記ＲＯＭ２０３上に電子的に格納されている主燃料噴射時期Ｆｉテーブル６０１（ＮＯＸ排気ガス濃度データ）にもとづいて、主燃料噴射時期Ｆｉを演算する。
主燃料噴射時期Ｆｉテーブル６０１は、図６に示す様に、例えば、横軸に主燃料噴射時期をクランク角で示し、縦軸に、例えば、ＮＯ発生率（ｇ／ｋＷｈ）を表したものであり、エンジン回転速度Ｎｅ及び要求トルクＴｒｑｓｏｌの離散的な値をパラメータとしたテーブルである。ＰＣＣＩ燃焼主燃料噴射時期演算部５１１ｂは、エンジン回転速度Ｎｅ、要求トルクＴｒｑｓｏｌを参照して、エンジン回転速度Ｎｅ、要求トルクＴｒｑｓｏｌの値の近傍の主燃料噴射時期Ｆｉテーブル６０１を検索して、補間して、ＮＯ発生率（ｇ／ｋＷｈ）が最低となる主燃料の噴射時期を算出する。
【００６１】
ちなみに、図６における横軸のクランク角（ＡＴＤＣ）は、ＴＤＣ（Top Dead Center）を０ｄｅｇ．とし、マイナス側はＢＴＤＣ（Before Top Dead Center）を、プラス側はＡＴＤＣ（After Top Dead Center）を示す。
また、図６は、主燃料噴射時期と排気ガスのＮＯ発生率の関係を示す説明図であり、図５に示す主燃料噴射時期Ｆｉテーブル６０１の一部を抜き出したものである。この図は、主燃焼噴射圧力は１５０ＭＰａ、エンジン回転速度Ｎｅは１５００ｒｐｍ、熱発生量は１３ｋＷの条件下である。図６において、クランク角（ＡＴＤＣ）が小さい領域では、ＮＯ発生率が比較的大きく、クランク角が大きくなるとある一定のクランク角以降からは、ＮＯ発生率が略一定になる。
よって、二次元パラメータにより検索された主燃料噴射時期Ｆｉテーブル６０１を参照して、ＮＯ発生率が最も低減される主燃料噴射時期を決定し、燃料インジェクタ５を駆動し、ＰＣＣＩ燃焼におけるＮＯ発生率を低減することができる。
そして、ＰＣＣＩ燃焼主燃料噴射制御部５１１は、演算された噴射時間Ｔｉ、噴射時期を示す信号を、燃料インジェクタ回路３０１に出力する。
【００６２】
（コモンレール圧制御）
また、ＥＣＵ５０Ａの要求トルク演算部５０１において得られた要求トルクＴｒｑｓｏｌ（内燃機関の運転状態情報）とエンジン回転速度Ｎｅとを用いて、コモンレール圧演算部５１２においてコモンレール圧の二次元マップ５１２ａを参照して目標コモンレール圧Ｐｃｓｏｌを算出し、これを用いてコモンレール圧制御部５１３がコモンレール圧センサＳＰｃからの信号と比較して、圧力調整弁７２に制御信号を出力し、コモンレール圧Ｐｃを目標コモンレール圧Ｐｃｓｏｌになる様に制御する。
【００６３】
（排気還流制御）
一方、要求トルクＴｒｑｓｏｌとエンジン回転速度Ｎｅとを用いて、目標空燃比演算部５０６において、前記した二次元マップ５０６ａを参照して、ＮＯｘ及びスモークの両立を図るための目標空燃比Ａ／Ｆｓｏｌを算出する。そして、この目標空燃比Ａ／Ｆｓｏｌと前記目標主燃料噴射量演算部５０５において求められた目標主燃料噴射量Ｆｓｏｌとを用いて、目標新気量演算部５０７において目標新気量ＦＡｓｏｌを算出し（ＦＡｓｏｌ＝Ｆｓｏｌ×Ａ／Ｆｓｏｌ）、この目標新気量ＦＡｓｏｌを目標として、新気量制御部５０８において新気量制御を行う。この新気量制御は、新気の供給量自体を直接調整するのではなく、排ガスの還流量を調整することによって新気量を変化させるというものである。つまり、新気の補正量を決定するのではなく、先ず、目標とする新気量ＦＡｓｏｌにもとづいて、新気量制御部５０８がＥＧＲ弁２４の基本動作量ＥＧＲｂａｓｅを決定し、これを更に新気量の偏差ＦＡｓｏｌ−ＦＡｉｒに応じてフィードバック補正して、ＥＧＲ弁２４の動作量ＥＧＲｓｏｌを決定し、その動作量ＥＧＲｓｏｌに対応する様にＥＧＲ弁制御部５０９がＥＧＲ弁駆動回路３０４（図３参照）に開度信号を出力する。ＥＧＲ弁駆動回路３０４は、ＥＧＲ弁２４のＥＧＲ弁リフトセンサ２４ａからの信号にもとづき、動作量ＥＧＲｓｏｌになる様にＥＧＲ弁２４の開度を制御する。
【００６４】
（スロットル弁制御）
また、前記目標主燃料噴射量演算部５０５において得られた目標主燃料噴射量Ｆｓｏｌとエンジン回転速度Ｎｅとを用いて、目標吸気絞り量演算部５１４において二次元マップ５１４ａを参照して目標吸気絞り量ＴＨｓｏｌを算出し、これを用いて、スロットル弁制御部５１５においてスロットル開度センサ１４ａからの信号をフィードバック制御してスロットル弁１４の開度を制御する。
【００６５】
（ＶＧＴ制御）
更に、ＥＣＵ５０Ａの要求トルク演算部５０１において得られた要求トルクＴｒｑｓｏｌとエンジン回転速度Ｎｅとを用いて、目標過給圧力演算部５１６において、前記した二次元マップ５１６ａを参照して目標過給圧力Ｂｏｏｓｔｓｏｌを算出する。そして、この目標過給圧力Ｂｏｏｓｔｓｏｌと過給圧センサＳＰｓａにより検出されたスロットル弁１４下流の吸気通路１０の過給気圧Ｐｓａとを用いて、過給圧力制御部５１７において、過給気圧Ｐｓａが目標過給圧力Ｂｏｏｓｔｓｏｌになる様に、ターボ過給機１２のベーン回動位置ＶＧＴｓｏｌを算出し、ＶＧＴアクチュエータ駆動回路３０５（図３参照）に出力し、これを用いてＶＧＴポジションセンサ２１ａからの信号をフィードバックしてＶＧＴｓｏｌに一致する様にＶＧＴアクチュエータ２１を制御する。
【００６６】
ちなみに、ＥＧＲ量の制御の詳細については、例えば、特開２０００−１０４６２８号公報に記載されているのでここでは省略する。
【００６７】
（予混合ガスのヘッダ圧制御）
また、ＥＣＵ５０Ａの要求トルク演算部５０１において得られた要求トルクＴｒｑｓｏｌとエンジン回転速度Ｎｅとを用いて、ヘッダ圧演算部５３１において、ヘッダ圧の二次元マップ５３１ａを参照して目標ヘッダ圧Ｐｇｓｏｌを算出し、これを用いてヘッダ圧制御部５３２がヘッダ圧センサＳＰｈｇからのヘッダ圧Ｐｇを示す信号と比較して、圧力調整弁３３に制御信号を出力し（図示省略）、ヘッダ圧Ｐｇを目標ヘッダ圧Ｐｇｓｏｌになる様に制御する。
なお、ヘッダ圧制御部５３２は、後記する様に、予混合ガス噴射制御部５３５からのヘッダ圧Ｐｇを増加させる様にとの制御指示を受けたとき、それに従いヘッダ圧Ｐｇを増加制御する。
【００６８】
（予混合ガス噴射制御）
次に、図７から図９を参照しながら予混合ガス噴射制御の方法について説明する。図７は、第１の実施形態のエンジン制御電子制御ユニットの機能ブロック構成図における要求予混合ガス演算部の詳細機能ブロック構成図であり、図８の（ａ）は、吸気への水素添加濃度をパラメータに熱発生率の時間変化波形（燃焼波形）をクランク角で示す時間推移の説明図、図８の（ｂ）は、吸気への水素添加濃度の違いによる気筒内圧の変化をクランク角で示す時間推移の説明図である。図９は、第１の実施形態における水素添加濃度と熱効率との関係を示す説明図である。
【００６９】
図７に示す様に、要求予混合ガス演算部５３３（水素添加濃度に係る燃焼データ記憶手段、水素添加量決定手段）は、ＥＣＵ５０Ａの要求トルク演算部５０１において得られた要求トルクＴｒｑｓｏｌと、エンジン回転速度Ｎｅとを用いて、最適熱効率マップ６０３にもとづいて水素添加濃度Ｒｇｓｏｌを決定する。
以下に、最適熱効率マップ６０３の生成方法について説明する。図８の（ｂ）は、主燃焼噴射圧力は１５０ＭＰａ、エンジン回転速度Ｎｅは１５００ｒｐｍ、熱発生量は１３ｋＷの条件下の場合の熱発生率の時間変化波形（燃焼波形）の例である。図８の（ｂ）において、主燃料の噴射時期をＡＴＤＣ２ｄｅｇ．の条件で固定し、水素の添加濃度を０〜１６［ｖｏｌ％］の範囲で燃焼を行った結果を示す。図８の（ｂ）は気筒内圧と熱発生率に及ぼす水素濃度の影響を検討した結果である。添加する水素濃度に対して熱発生率の波形とその着火タイミングが顕著に変化した。燃焼の波形と着火タイミングが変化する原因を着火源の観点から以下に簡単に考察する。水素添加濃度０［ｖｏｌ％］の場合の着火源は軽油の自着火である。水素添加濃度０［ｖｏｌ％］に対して水素添加濃度２［ｖｏｌ％］は、着火遅れ期間が若干長くなった。このことから、水素添加濃度２［ｖｏｌ％］は、着火源は軽油の自己着火であるが、水素による着火抑制効果が多少認められたものと考えられる。水素の可燃限界空燃比が４［ｖｏｌ％］以上であることを考慮すると、４［ｖｏｌ％］未満の場合には水素自体の自己着火は起こらず、逆に着火に対し抑制効果をもつものであると考えられる。水素添加濃度１６［ｖｏｌ％］と１４［ｖｏｌ％］の場合には、ＴＤＣ以前の水素の自己着火が着火源であると考えられる。また、水素添加濃度１２［ｖｏｌ％］、１０［ｖｏｌ％］、及び、８［ｖｏｌ％］の場合には、ＴＤＣ付近での水素の自己着火が主に着火源であると考えられる。
【００７０】
また、水素添加濃度が１６〜８［ｖｏｌ％］の範囲では、水素の自己着火による水素火炎中に燃料が噴射され燃料の着火が進む様な燃焼になっているものと考えられる。水素添加濃度６［ｖｏｌ％］及び４［ｖｏｌ％］の場合には、水素の自己着火と燃料の噴射に関連した着火が主な着火源になっているものと考えられる。燃料の噴射に関連した着火源としては、水素が関与する軽油の自己着火や燃料がもつ静電気・プラズマ等の電気的な着火等が考えられる。このように水素の添加濃度によって複数の着火源の存在が示唆される。これら複数の着火源を少なくとも一種以上利用することで、燃料のセタン価と同等に熱発生率の時間推移（燃焼波形）と着火遅れ期間の制御を行うことができる。また、吸気に添加する水素濃度によって、熱発生率の時間推移（燃焼波形）と着火タイミングを制御できることがわかる。
【００７１】
吸気に２［ｖｏｌ％］の水素を添加した状態で、燃料のＡＴＤＣ噴射を行うと、燃焼が急激になり、熱発生率が急激に低下するのに対し、吸気に６［ｖｏｌ％］の水素を添加した状態で燃料のＡＴＤＣ噴射を行うと、燃焼波形がなだらかになる。
【００７２】
なお、本実施形態では、吸気に水素添加なしの状態は、想定されていないが、比較のため、もしくは、吸気への水素添加濃度が図に示した水素添加濃度との中間点、例えば、１［ｖｏｌ％］の場合を推定するのに参考となるために示した。
また、吸気に水素添加なしの状態で主燃料のＡＴＤＣ噴射を行うと、燃焼が急激になりＰＣＣＩ燃焼条件とならず、熱効率が急激に悪化するのに対し、吸気に４［ｖｏｌ％］以上の水素添加した状態で主燃料のＡＴＤＣ噴射を行うと、燃焼がなだらかになりＰＣＣＩ燃焼条件を満たし、効率よく燃焼することが可能となる。
【００７３】
ちなみに、図８の（ｂ）では、縦軸に気筒内圧[MPａ]、横軸にクランク角（ＡＴＤＣ）[ｄｅｇ．]とし、ＰＣＣＩ燃焼における予混合ガス噴射時期から主燃料噴射時期後を含む期間における気筒内圧の時間推移を示したものである。エンジン回転速度Ｎｅ、要求トルクＴｒｑｓｏｌ、水素添加濃度［ｖｏｌ％］は、図８の（ａ）と対応している。
【００７４】
そして、最適熱効率マップ６０３は、前記した図８の（ａ）に示す様なエンジン回転速度Ｎｅ及び要求トルクＴｒｑｓｏｌのある組み合わせに対し、水素添加濃度［ｖｏｌ％］をパラメータとして予め実験的に求められた熱発生率の時間変化波形（燃焼波形）のうちのＰＣＣＩ燃焼条件に適合した水素添加濃度［ｖｏｌ％］のものを、更に、図９に示す様に熱効率を縦軸にプロットしたものである。そして、それを通常のエンジンの運転範囲において可能性のあるエンジン回転速度Ｎｅ及び要求トルクＴｒｑｓｏｌの多数の組み合わせについて集成したものである。
【００７５】
図９に最適熱効率マップ６０３の１例を示すが、図８の（ａ）の条件に対応する特定のエンジン回転速度Ｎｅ及び要求トルクＴｒｑｓｏｌの組み合わせにおいて、水素添加濃度［ｖｏｌ％］を横軸に、熱効率を縦軸にとって示したものである。図９において、吸気に６［ｖｏｌ％］の水素添加した状態で燃料のＡＴＤＣ噴射を行なうと、最も高い熱効率になる。
この例では水素添加濃度が６〜８［ｖｏｌ％］までは熱効率が上昇し、それ以上に水素濃度を増加させていくと熱効率は低下していく。また、着火源としては、水素添加濃度が低い場合は軽油の自己着火が主であり、水素添加濃度が高い場合は水素の自己着火が主になる。これらの中間の濃度では、軽油の自己着火、水素の自己着火、及び主燃料の噴射による着火が共存する。主燃料の噴射による着火としては、水素が関与する軽油着火や燃料がもつ静電気・プラズマ等の電気的なものが考えられる。このように水素添加濃度によって着火源が多様化し、結果として熱発生の波形に影響を与えているものと考えられる。
よって、最適熱効率マップ６０３にもとづいて熱効率が最大となる水素添加濃度Ｒｇｓｏｌを決定し、予混合ガス噴射制御部５３５（図４参照）に出力し、ガスインジェクタ３１を駆動し、ＰＣＣＩ燃焼における熱効率を向上することができる。
【００７６】
予混合ガス噴射制御部５３５は、ヘッダ圧センサＳＰｈｇからのヘッダ圧Ｐｇにもとづき、水素添加濃度Ｒｇｓｏｌに対応する噴射時間を算出し、そのときのエンジン回転速度Ｎｅから、排気弁１７が完全に閉じ、吸気弁１６が開状態の噴射時間許容最大値Ｔｍａｘ（図１０参照）を算出し、噴射時間が噴射時間許容最大値Ｔｍａｘ内であることを確認し、そうでない場合は、ヘッダ圧制御部５３２にヘッダ圧Ｐｇを増加させる様に制御する。そして、予混合ガス噴射制御部５３５はガスインジェクタ駆動回路３０２に噴射時期と噴射時間の制御信号を出力し、ガスインジェクタ３１のアクチュエータ３１ａを駆動する。
【００７７】
ここで、ヘッダ圧演算部５３１、ヘッダ圧制御部５３２、要求予混合ガス演算部５３３、予混合ガス噴射制御部５３５が、特許請求の範囲に記載の「ガス供給制御手段」を構成する。
なお、水素添加濃度としては、前記したピーク値Ｈｍａｘ、半値幅ａ、ピーク値Ｈｍａｘに対応するクランク角に限定されるものではなく、更に燃焼波形の面積を加えても良い。
【００７８】
《予混合ガスの噴射制御と主燃料噴射の制御》
次に、図１１を参照しながら、適宜、図３、図４、図５を参照して予混合ガスの噴射制御と、主燃料噴射の制御の方法について説明する。図１１は、予混合ガスの噴射制御と、燃料噴射制御の方法の流れを示すフローチャートである。
ステップＳ１では、要求トルク演算部（要求トルク算出手段）５０１において、アクセル開度θｔｈとエンジン回転速度Ｎｅにもとづいて、要求トルクＴｒｑｓｏｌを算出する。
ステップＳ２では、目標主燃料噴射量演算部５０５において、要求トルクＴｒｑｓｏｌと新気量ＦＡｉｒとエンジン回転速度Ｎｅにもとづいて、目標主燃料噴射量Ｆｓｏｌを算出する。
ステップＳ３では、要求予混合ガス演算部５３３において、要求トルクＴｒｑｓｏｌとエンジン回転速度Ｎｅにもとづいて、ＰＣＣＩ燃焼における熱効率が最も高い燃焼波形に対応する水素添加濃度を吸気の水素添加濃度として決定する。
ステップＳ４では、要求予混合ガス演算部５３３において、水素添加濃度を予混合ガス噴射制御部５３５へ出力する。
ステップＳ５では、要求予混合ガス演算部５３３において、ヘッダ圧Ｐｇにもとづいて、水素添加濃度に対応する噴射時間を算出する。
ステップＳ６では、要求予混合ガス演算部５３３において、ガスインジェクタ駆動回路３０２（図３参照）へ噴射時間の制御信号を出力する。
そして、ガスインジェクタ駆動回路３０２が、ガスインジェクタ３１（図３参照）のアクチュエータ３１ａ（図３参照）を駆動する。
ステップＳ７では、ＰＣＣＩ燃焼主燃料噴射時間演算部５１１ａにおいて、目標主燃料噴射量Ｆｓｏｌとコモンレール圧Ｐｃにもとづいて、主燃料噴射時間を算出する。
ステップＳ８では、ＰＣＣＩ燃焼主燃料噴射時期演算部５１１ｂにおいて、要求トルクＴｒｑｓｏｌとエンジン回転速度Ｎｅにもとづいて、主燃料噴射時期Ｆiテーブル６０１を検索する。
【００７９】
ステップＳ９では、ＰＣＣＩ燃焼主燃料噴射時期演算部５１１ｂにおいて、主燃料噴射時期Ｆｉテーブルを参照して、ＮＯが最も低減される主燃料噴射時期を決定する。
ステップＳ１０では、ＰＣＣＩ燃焼主燃料噴射演算部５１１において、主燃料噴射時期と主燃料噴射時間を燃料インジェクタ駆動回路３０１（図３参照）へ出力する。そして、燃料インジェクタ駆動回路３０１が、燃料インジェクタ５（図３参照）のアクチュエータ５ａ（図３参照）を駆動する。
以上で、一連の予混合ガスの噴射制御と、主燃料噴射の制御の処理が完了する。
【００８０】
（作用効果の説明）
本実施形態では、要求トルク演算部５０１において、アクセル開度θｔｈとエンジン回転速度Ｎｅにもとづいて、要求トルクＴｒｑｓｏｌを算出し、要求予混合ガス演算部５０５において、要求トルクＴｒｑｓｏｌと新気量ＦＡｉｒとエンジン回転速度Ｎｅにもとづいて、目標主燃料噴射量Ｆｓｏｌを算出する。そして、要求予混合ガス演算部５３３において、要求トルクＴｒｑｓｏｌとエンジン回転速度Ｎｅにもとづいて、ＰＣＣＩ燃焼における熱効率が最も高い燃焼波形に対応する水素添加濃度を吸気の水素添加濃度として決定する。予混合ガス噴射制御部５３５においては、ヘッダ圧Ｐｇにもとづいて、水素添加濃度に対応する噴射時間を算出する。そして、ガスインジェクタ駆動回路３０２へ制御信号を出力し、ガスインジェクタ３１の駆動を制御する。
【００８１】
また、ＰＣＣＩ燃焼主燃料噴射制御部５１１のＰＣＣＩ燃焼主燃料噴射時間演算部５１１ａにおいてコモンレール圧Ｐｃにもとづいて、主燃料噴射時間を算出する。次に、ＰＣＣＩ燃焼主燃料噴射制御部５１１のＰＣＣＩ燃焼主燃料噴射時期演算部５１１ｂにおいて、要求トルクＴｒｑｓｏｌとエンジン回転速度Ｎｅにもとづいて、主燃料噴射時期Ｆiテーブル６０１を検索し、それを参照して、ＮＯが最も低減される主燃料噴射時期を決定する。そして主燃料噴射時期と主燃料噴射時間を燃料インジェクタ駆動回路３０１（図３参照）へ出力し、ＰＣＣＩ燃焼条件にもとづく噴射時期及び噴射時間を制御する。
したがって、ＰＣＣＩ燃焼において、熱効率の向上とＮＯの発生を抑制することができる。
【００８２】
図１２は、本実施形態及び比較例に係るエンジン回転速度とエンジントルクに対するＰＣＣＩ燃焼が可能な領域を比較した図である。図１２において破線は比較例のＰＣＣＩ燃焼可能な領域を示し、実線は本実施形態のＰＣＣＩ燃焼可能領域を示し、一点鎖線は通常の運転において要求されるＰＣＣＩ燃焼領域を示す。この様に本実施形態によれば比較例よりも広い通常運転領域をカバーしたＰＣＣＩ燃焼が実現でき、排気ガス中のＰＭやＮＯＸを低減できる。
【００８３】
図１３は、水素添加濃度の違いによる熱効率の向上の例を示す説明図である。燃料はＪＩＳ２号軽油を用い、主燃焼噴射圧力は１５０ＭＰａ、エンジン回転速度Ｎｅは１５００ｒｐｍ、熱発生量は１３ｋＷ、主燃料噴射時期はクランク角でＡＴＤＣ２ｄｅｇ．である。
比較例の予混合ガスの水素添加濃度が４［ｖｏｌ％］の場合に比較して、本実施形態では、燃焼波形により熱効率が向上する水素添加濃度８［ｖｏｌ％］と選択されることにより熱効率が５．７％向上している。この比較例（特願２００８-１７６９３９号）に記載の図１４に記載されている様な熱発生率の波形に相当する場合である。
【００８４】
図１４は、水素添加濃度、主燃料噴射時期の最適化の違いによるＮＯ発生率の低減効果の例を示す説明図である。燃料はＪＩＳ２号軽油を用い、主燃焼噴射圧力は１５０ＭＰａ、エンジン回転速度Ｎｅは１５００ｒｐｍ、熱発生量は１３ｋＷである。
比較例の水素添加濃度が４［ｖｏｌ％］、主燃料の噴射時期がクランク角でＡＴＤＣ２ｄｅｇ．の場合に比較し、本実施形態では、水素添加濃度が８［ｖｏｌ％］、主燃料の噴射時期がクランク角でＡＴＤＣ２ｄｅｇ．と熱効率の上で最適化されることによりＮＯ発生率［ｇ／ｋＷｈ］が３３％低減されている。更に、主燃料噴射時期を、ＮＯＸ低減のためにＡＴＤＣ８ｄｅｇ．に最適化されることで着火タイミングが遅れ、ＮＯ発生率［ｇ／ｋＷｈ］が２０％低減され、比較例よりも合計で排出されるＮＯ発生率が５３％低減されている。この様に、本実施形態によれば、熱効率を向上させることができるとともに、ＮＯＸを低減することができた。
【００８５】
図１５は、第１の実施形態における水素添加濃度とＮＯ発生率との関係を示す説明図である。図１５において、図１４に示した比較例の水素添加濃度が４［ｖｏｌ％］の場合に比較して、本実施形態における水素添加濃度が８［ｖｏｌ％］の場合は、ＮＯ発生率が比較例より低減されていることが示されている。
【００８６】
図１６の（ａ）は、燃料噴射時期の違いによる燃焼波形の比較を示す説明図、図１６の（ｂ）は、図１６の（ａ）に対応する燃料噴射時期の違いによる気筒内圧の変化の例を示す説明図である。燃料はＪＩＳ２号軽油を用い、主燃焼噴射圧力は１５０ＭＰａ、エンジン回転速度Ｎｅは１５００ｒｐｍ、熱発生量は１３ｋＷ、水素添加濃度は８［ｖｏｌ％］である。図１６の（ａ）において、どちらの熱発生率の波形もほぼ同じ様な形になっている。ＡＴＤＣ２ｄｅｇ．からＡＴＤＣ８ｄｅｇ．への遅延噴射の場合（着火タイミングの最適化を行った場合）には燃料噴射時期の変化に関わらず、ほぼ同じ燃焼波形（ピーク値や、半値幅に変化が小さい）なので、水素添加濃度によって燃焼波形を制御できることが示された。
【００８７】
ちなみに、本実施形態におけるＰＣＣＩ燃焼の燃焼改善による熱効率の向上とＮＯＸの発生の抑制が見込める主燃料噴射時期と、水素添加濃度の領域は図１７に示す領域である。
図１７は、ＰＣＣＩ燃焼の燃焼改善による熱効率の向上とＮＯ発生抑制が見込める主燃料噴射時期と、水素添加濃度の領域を示す説明図である。横軸は、クランク角度[ＡＴＤＣ／ｄｅｇ．]を表し、主燃料噴射時期におけるＴＤＣ（Top Dead Center）を０deg．とし、マイナス側はＢＴＤＣ（Before Top Dead Center）を、プラス側はＡＴＤＣ（After Top Dead Center）を示す。縦軸は、水素添加濃度[ｖｏｌ％]を表し、吸気体積に対する添加する水素体積の百分率を示す。
【００８８】
本実施形態によれば、水素添加濃度[ｖｏｌ％]で約４〜１６[ｖｏｌ％]の範囲、主燃料噴射時期でＡＴＤＣ−２〜１０[ｄｅｇ．]の範囲で、ＰＣＣＩ燃焼の燃焼改善による熱効率の向上とＮＯＸの発生の抑制が見込める。
エンジン１の中高負荷運転領域においても広い通常運転領域をカバーしたＰＣＣＩ燃焼が実現でき、排気ガス中のＰＭやＮＯＸを低減できる。したがって、さらにＤＰＦやＬＮＣ(Lean NOx Catalyst)システムの負担が軽減される。あるいはそのシステム自体不要になる可能性がある。あるいは、排気還流系１２０も不要になる可能性がある。また、中高負荷領域において従来以上に騒音・振動を大幅に低減することができる。
【００８９】
また、本実施形態によれば、ヘッダ管３２及びガス供給配管７６の合計容量を制限している上、ヘッダ圧Ｐｇを制御する圧力調整弁３３を水素タンク３４Ａの下流に設けてあるので、ヘッダ管３２及びガス供給配管７６の圧力がエンジン回転速度Ｎｅに応じて可変になり、予混合ガス噴射時間Ｔｉを、噴射時間許容最大値Ｔｍａｘを越えない範囲で、過小な予混合ガス噴射時間とすることなくエンジン回転速度Ｎｅ応じた狭いＴｉ予混合ガス噴射時間の変動で設定可能とできる。その結果、エンジン回転速度Ｎｅの変動に対して予混合ガス供給の応答性が極めて良好になる。
【００９０】
本実施形態において、ディーゼルエンジンとしては従来公知のものがすべて使用でき、特に制限はない。また、主燃料としては、軽油、又は軽油にその他燃料、例えば、バイオ燃料といわれる植物由来の燃料や、ＤＭＥ，ＧＴＬ等を混ぜた混合燃料である。軽油及びＧＴＬ燃料に含まれる炭化水素類としては、アルカン類、アルケン類、アルキン類、芳香族化合物、アルコール類、アルデヒド類、エステル類等である。バイオ燃料としては、エタノール、脂肪酸メチルエステル等である。
【００９１】
なお、本実施形態においては、ＰＣＣＩ燃焼主燃料噴射時期演算部５１１ｂにおいて、要求トルクＴｒｑｓｏｌとエンジン回転速度Ｎｅを参照して、前記ＲＯＭ２０３上に電子的に格納されている主燃料噴射時期Ｆｉテーブル６０１にもとづいて、主燃料噴射時期Ｆｉを演算しているが、それに限定されるものではない。要求予混合ガス演算部５３３において決定された水素添加濃度ＲｇｓｏｌをＰＣＣＩ燃焼主燃料噴射時期演算部５１１ｂに入力し、要求トルクＴｒｑｓｏｌとエンジン回転速度Ｎｅに加え、水素添加濃度Ｒｇｓｏｌをも参照して、前記ＲＯＭ２０３上に電子的に格納されている主燃料噴射時期Ｆｉテーブル６０１にもとづいて、主燃料噴射時期Ｆｉを演算しても良い。この場合、主燃料噴射時期Ｆｉテーブル６０１は、要求トルクＴｒｑｓｏｌとエンジン回転速度Ｎｅに加え、水素添加濃度Ｒｇｓｏｌをもパラメータとして主燃料噴射時期Ｆｉを算出できるようになっている。
【００９２】
《第２の実施形態》
次に、図３及び、図１８を参照して本発明の第２の実施形態に係わるエンジン制御装置の概要について説明する。図３は、エンジン制御装置に用いられるエンジン制御電子制御ユニットのハード的な構成説明図であり、図１８は、第２の実施形態のエンジン制御装置の概略機能構成図である。
本実施形態におけるエンジン制御装置１００Ｂが、第１の実施形態におけるエンジン制御装置１００Ａと異なる点は、ガス供給系１３０Ａがガス供給系（ガス供給手段）１３０Ｂに置き換わった点であり、そのためにＥＣＵ５０ＡがＥＣＵ５０Ｂに変っている。
第１の実施形態と同じ構成については同じ符号を付し、重複する説明を省略する。
【００９３】
ガス供給系１３０Ｂは、主に、図示省略の低圧ポンプで燃料タンク４２から供給された燃料を改質して水素又は水素を含む改質ガス（以下、「水素又は水素を含む改質ガス」を予混合ガスと称する）を生成する燃料改質器（ガス生成手段）３７と、予混合ガスを圧縮するガス圧縮機３６と、圧縮された予混合ガスを蓄圧状態に貯留する水素タンク（蓄圧タンク）３４Ｂと、圧力調整弁３３とヘッダ管３２と、ガス供給配管７６と、予混合ガスを各気筒２に噴射するガスインジェクタ（ガス噴射弁）３１とを含んで構成されている。
【００９４】
燃料改質器３７は、改質触媒を備え、空気、酸素富化空気、窒素富化空気、酸素、窒素、二酸化炭素、又は水蒸気の雰囲気下で、図示省略の低圧ポンプにより供給された燃料を改質し、予混合ガスを生成し、この予混合ガスをガス圧縮機３６に供給する。
ここで、改質触媒における改質反応は、例えば、水蒸気改質法、部分酸化法、炭酸ガス改質法、水性ガスシフト反応、並びに、水蒸気改質法及び部分酸化法を組み合わせたオートサーマル法よりなる中から選ばれた１種以上の反応である。
【００９５】
燃料改質器３７の予混合ガス（改質ガス）生成の出力レベル及びガス圧縮機３６の出力は、ＥＣＵ５０Ｂに制御されて水素タンク３４Ｂの圧力ＰＨｂが、例えば、エンジン回転速度Ｎｅ及び前記した要求トルクＴｒｑｓｏｌに応じて予め設定された所定圧力になる様に制御される。
ガス圧縮機３６で昇圧された予混合ガスは、水素タンク３４Ｂに貯留され、水素タンク３４Ｂの下流側に配置された圧力調整弁３３を経由してヘッダ管３２に至り、ヘッダ管３２から各気筒２に分岐するガス供給配管７６により前記ガスインジェクタ３１に供給される。
水素タンク３４Ｂに貯められた予混合ガスは、ＥＣＵ５０Ｂに制御される圧力調整弁３３により、ヘッダ管３２に設けられたヘッダ圧センサＳＰｈｇの信号にもとづいて所定の噴射圧力に減圧してから、ヘッダ管３２から各気筒２に分岐するガス供給配管７６を経由し、各気筒２の吸気ポート近くに配置されたガスインジェクタ３１の図示しない噴射孔から吸気中に噴射される。
【００９６】
ガス供給系（ガス供給手段）１３０Ｂには、水素タンク３４Ｂの圧力ＰＨｂを検出する水素タンク圧センサＳＰＨｂ（図１８参照）、前記ヘッダ管３２の圧力（予混合ガス圧）ＰＰｇを検出するヘッダ圧センサＳＰｈｇ（図１８参照）、ヘッダ管３２の水素濃度ｖＨを検出する水素濃度センサＳＨ（図１８参照）が設けられ、それらの電気信号がＥＣＵ５０Ｂに入力されている。
【００９７】
図示しない低圧ポンプは、例えば、燃料タンク４２内に燃料フィルタ４３Ａ，４３Ｂ(図１８では別体に表示してあるが、実際には一つのものである)とともに組み込まれ、燃料タンク４２から吸込み管６２Ａ，６２Ｂ(図１８では別体に表示してあるが、実際は１本の共通管である)により燃料を吸引し、途中で分岐して高圧供給ポンプ８の吸い込み側及び燃料改質器３７に燃料を供給する。
【００９８】
燃料改質器３７には図示省略の流量調整弁が内蔵され、ＥＣＵ５０Ｂに制御され、過剰な燃料は戻り管６５Ｂで燃料タンク４２に戻され、燃料改質器３７に供給する燃料の流量を制御する。
なお、前記した燃料改質器３７の燃料及び純水の図示省略の流量調整弁は、ＥＣＵ５０Ｂに制御される燃料改質器３７における改質ガス（予混合ガス）の単位時間当たりの生成量（出力レベル）に見合う様に協調制御される。
【００９９】
燃料改質器３７で生成された改質ガスは予混合ガスとして、ガス圧縮機３６で昇圧されて逆止弁３５を経由して水素タンク３４Ｂに供給される。水素タンク３４Ｂには水素タンク圧ＰＨｂを検出する水素タンク圧センサＳＰＨｂが設けられ、その検出圧信号はＥＣＵ５０Ｂに出力され、ＥＣＵ５０Ｂが、燃料改質器３７とガス圧縮機３６の運転レベルを制御して水素タンク３４Ｂの圧力を、車両の運転状態、例えば、エンジン回転速度Ｎｅや、アクセル開度θｔｈに応じて、所定の目標圧力に制御する。
【０１００】
また、水素タンク３４Ｂから各気筒２のガスインジェクタ３１へは、圧力調整弁３３を介して、水素タンク圧ＰＨｂから減圧して、ヘッダ管３２に供給され、このヘッダ管３２から分岐したガス供給配管７６が接続し、水素タンク３４Ｂに蓄圧状態で貯留された予混合ガスをガスインジェクタ３１に供給する。
【０１０１】
ヘッダ管３２には、実質的にガスインジェクタ３１の噴射圧であるヘッダ圧Ｐｇを検出する圧力センサＳＰＨｇと、予混合ガス中の水素濃度ｖＨを検出する水素濃度センサＳＨが設けられている。
【０１０２】
《ガス供給系の制御構成の説明》
次に、図１９を参照しながらＥＣＵ５０Ｂにおけるガス供給系１３０Ｂに係る制御機能ブロックについて説明する。第１の実施形態と同じ構成については同じ符号を付し、重複する説明を省略する。
第１の実施形態では、ガス供給系１３０Ａの制御機能ブロックとして、ヘッダ圧演算部５３１、ヘッダ圧制御部５３２、要求予混合ガス演算部５３３、予混合ガス噴射制御部５３５を含んでいたが、本実施形態におけるガス供給系１３０Ｂの制御機能ブロックとして、タンク圧制御部５３６、ヘッダ圧演算部５３１、ヘッダ圧制御部５３２、要求予混合ガス演算部５３３、予混合ガス噴射制御部５３５、燃料改質器制御部５３８を含んでいる。
【０１０３】
そしてタンク圧制御部５３６は、図３に破線で示したガス圧縮機駆動回路３０６に制御信号を出力し、ガス圧縮機３６を運転制御する。また、燃料改質器制御部５３８は、図３に破線で示した改質器駆動回路３０７に制御信号を出力し、燃料改質器３７運転制御する。
【０１０４】
（燃料改質器の運転制御）
燃料改質器制御部５３８は、要求予混合ガス演算部５３３で算出された要求予混合ガス量Ｒｇｓｏｌにもとづいて、燃料改質器３７の運転レベルを制御する。それに対応して水タンク３８及び燃料タンク４２から燃料改質器３７に供給する純水の流量と燃料の流量も制御する。
【０１０５】
（水素タンク圧の制御）
水素タンク３４Ｂの目標タンク圧ＰＨｂｓｏｌは、予め実験的に求められ、ＲＯＭ２０３（図３参照）に電子的に格納されたエンジン回転速度Ｎｅと要求トルクＴｒｑｓｏｌの二次元マップ５３６ａを参照してタンク圧制御部５３６で算出して、ガス圧縮機３６を制御してタンク圧ＰＨｂを制御する。
【０１０６】
そして、この目標タンク圧ＰＨｂｓｏｌは、下限値が設定されており、エンジン停止時やアイドリング時でも所定圧力以上が確保される様に制御される。これは、エンジン１の起動時に、燃料改質器３７が起動するまでに要する時間の間、水素タンク３４Ｂに蓄圧された予混合ガスを利用して、エンジン１に予混合ガスを供給できる様にするためである。具体的なタンク圧ＰＨｂの制御は、例えば、２００８−１７６９３９（未公開）の図３に記載されている様な制御である。
【０１０７】
そして、ヘッダ圧演算部５３１においては、第１の実施形態におけるヘッダ圧演算部５３１と同じ様に目標ヘッダ圧Ｐｇｓｏｌを算出し、ヘッダ圧制御部５３２が圧力調整弁３３を制御して目標ヘッダ圧Ｐｇｓｏｌに制御する。
ここで、燃料改質器３７が走行状態の通常の運転レベルに達している場合は、目標ヘッダ圧Ｐｇｓｏｌは、タンク圧制御部５３６が算出して制御する目標タンク圧力ＰＨｂｓｏｌよりも少し低めの圧力である。
【０１０８】
（予混合ガス噴射制御）
ＥＣＵ５０Ｂの要求トルク演算部５０１において得られた要求トルクＴｒｑｓｏｌとエンジン回転速度Ｎｅとは、第１の実施形態において、要求予混合ガス演算部５３３において要求予混合ガス量の二次元マップ６０３（最適熱効率マップ）を参照して要求予混合ガス量Ｒｇｓｏｌを算出し、これと目標新気量演算部５０７において算出された目標新気量ＦＡｓｏｌとから、要求予混合ガス量補正部５３４Ｂにおいて、標準大気圧換算で要求予混合ガス量Ｒｇｓｏｌに含まれる水素の体積濃度が標準大気圧換算した目標新気量ＦＡｓｏｌに対して、可燃限界比を超えているか否かチェックし、可燃限界比を超えていない場合は、超える様に要求予混合ガス量Ｒｇｓｏｌの値を補正して、予混合ガス噴射制御部５３５に出力する。このとき、第１の実施形態では予混合ガス中の水素濃度が一定と仮定できたが、本実施形態では、燃料の成分が基準のものからばらつくことを考慮しているので、ヘッダ管３２に水素濃度センサＳＨを配置して水素濃度ｖＨを検出し、検出した水素濃度ｖＨを反映して水素の体積濃度が標準大気圧換算した目標新気量ＦＡｓｏｌに対して、可燃限界比を超えているか否かチェックする。
【０１０９】
予混合ガス噴射制御部５３５は、ヘッダ圧センサＳＰｈｇからヘッダ圧Ｐｇにもとづき、目求予混合ガス量Ｒｇｓｏｌに対応する噴射時間を算出し、そのときのエンジン回転速度Ｎｅから、排気弁１７が完全に閉じ、吸気弁１６が開状態の噴射時間許容最大値Ｔｍａｘ（図５参照）を算出し、噴射時間が噴射時間許容最大値Ｔｍａｘ内であることを確認し、そうでない場合は、ヘッダ圧制御部５３２にヘッダ圧Ｐｇを増加させる様に制御する。そして、予混合ガス噴射制御部５３５はガスインジェクタ駆動回路３０２に噴射時期と噴射時間の制御信号を出力し、ガスインジェクタ３１のアクチュエータ３１ａを駆動する。
ここで、ヘッダ圧演算部５３１、ヘッダ圧制御部５３２、要求予混合ガス演算部５３３、予混合ガス噴射制御部５３５、タンク圧制御部５３６、燃料改質器制御部５３８が、特許請求の範囲に記載の「ガス供給制御手段」を構成する。
【０１１０】
以上、本実施形態によれば、先ず、第１の実施形態と同様に、燃料のセタン価が実際のディーゼルエンジンで使用される４０〜６０の範囲で変化しても、水素添加のＰＣＣＩ燃焼条件を維持することができ、排気ガス規制をクリアでき、かつ、セタン価の低下による正味燃料消費率（ｇ／ｋＷ・ｈ）の増加を抑制できる。また、水素添加量のばらつきやＥＧＲ量のばらつきによる燃料の着火時期のばらつき対しても同様に作用する。
この様に、吸気への水素添加と燃料のＢＴＤＣ噴射に、更に、筒内圧Ｐｃｌにもとづく、要求トルクＴｒｑｓｏｌのフィードバック補正と、燃料の噴射時期のフィードバック補正とを組み合わせることにより、図１２に示す様に常用運転領域を含む中高負荷運転領域まで、セタン価の変化に対して実用的なＰＣＣＩ燃焼が可能となる。
【０１１１】
また、本実施形態によれば、ヘッダ管３２及びガス供給配管７６の合計容量を制限している上、ヘッダ圧Ｐｇを制御する圧力調整弁３３を水素タンク３４Ｂの下流に設けてあるので、ヘッダ管３２及びガス供給配管７６の圧力がエンジン回転速度Ｎｅに応じて可変になり、予混合ガス噴射時間Ｔｉを、噴射時間許容最大値Ｔｍａｘを越えない範囲で、過小な予混合ガス噴射時間とすることなくエンジン回転速度Ｎｅ応じた狭いＴｉ予混合ガス噴射時間の変動で設定可能とできる。その結果、エンジン回転速度Ｎｅの変動に対して予混合ガス供給の応答性が極めて良好になる。
【０１１２】
更に、ガス圧縮機３６と水素タンク３４Ｂとを有している構成とすることにより、燃料改質器３７を小型のサイズにできる。その結果、燃料改質器３７を用いたガス供給系１３０Ｂ全体としてのコストと重量を小さくすることが可能となる。
【０１１３】
本実施形態の変形例として、図１８に示した様に、水素タンク３４Ｂの圧力ＰＨｂをエンジン回転速度Ｎｅやアクセル開度θｔｈに応じて変圧制御する代わりに、略最大値近くに維持する様に制御して、その代わり圧力調整弁３３によるヘッダ圧Ｐｇの制御をエンジン回転速度Ｎｅやアクセル開度θｔｈに応じて柔軟に制御することにより、実施形態における燃料改質器３７の改質反応器サイズを更に小さくすることができる。
なお、今回のＰＣＣＩ燃焼において、ＮＯ発生率の抑制を一例として挙げているが、他の窒素酸化物、いわゆるＮＯＸ発生率の抑制としてもよい。
【符号の説明】
【０１１４】
３１    ガスインジェクタ（ガス噴射弁）
３４Ａ  水素タンク
３４Ｂ  水素タンク（蓄圧タンク）
３７    燃料改質器（ガス生成手段）
５０Ａ，５０Ｂ  ＥＣＵ
１００Ａ，１００Ｂ  内燃機関の制御装置（内燃機関の制御装置）
１１０  燃料供給系（燃料供給手段）
１３０Ａ，１３０Ｂ  ガス供給系（ガス供給手段）
５０１  要求トルク演算部（要求トルク算出手段）
５０５  目標主燃料噴射量演算部（燃料噴射量算出手段）
５１１  ＰＣＣＩ燃焼主燃料噴射制御部
５１１ａ  ＰＣＣＩ燃焼主燃料噴射時間演算部
５１１ｂ  ＰＣＣＩ燃焼主燃料噴射時期演算部（ＮＯＸ排ガス濃度記憶手段）
５３３  要求予混合ガス演算部（水素添加濃度に係る燃焼データ記憶手段、水素添加量決定手段）
５３５  予混合ガス噴射制御部
５３６  タンク圧制御部
５３８  燃料改質器制御部
６０１  主燃料噴射時期Ｆｉテーブル（ＮＯＸ排気ガス濃度データ）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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